Carreira precoce
Prior para o UFC, Diaz competiu principalmente pelo World Extreme Cagefighting (WEC). Em 2006, no CME 24, ele lutou pelo Campeonato de pesos leves do CME contra o então campeão Hermes Franca, perdendo por submissão na segunda rodada. Este foi o último evento realizado pelo CME antes de ser adquirido pela Zuffa, LLC, então empresa mãe do UFC.
Ultimo Campeonato de Combate
The Ultimate Fighter 5
Diaz foi um competidor no The Ultimate Fighter 5, que apresentava exclusivamente pesos leves, lutando na equipe de Jens Pulver. Na rodada preliminar, Diaz derrotou Rob Emerson por submissão; nas quartas-de-final ele derrotou o companheiro de equipe da Team Pulver Corey Hill por submissão triangular no primeiro round. Nas semifinais, Diaz derrotou o membro da equipa Penn Gray Maynard por submissão, avançando para as finais, nas quais enfrentou o companheiro de equipa Manvel Gamburyan. Diaz venceu por submissão, depois de Gamburyan ter sido forçado a desistir na segunda volta, devido à deslocação do seu ombro direito, como resultado de uma tentativa de takedown. Com a vitória, Diaz venceu The Ultimate Fighter 5.
2008
Após derrotar Alvin Robinson e Junior Assunção por submissão, Diaz exigiu adversários mais fortes. Ele recebeu uma partida com Kurt Pellegrino no UFC Fight Night 13. Diaz derrotou Pellegrino através da submissão do triângulo de ataque na segunda rodada. Enquanto ele fechava o estrangulamento, Diaz teve tempo de flexionar para a torcida e vomitar dois dedos médios antes de Pellegrino se submeter. Diaz derrotou o veterano Josh Neer por decisão dividida no evento principal do UFC Fight Night 15.
2009
Diaz então lutou contra o ex-campeão de Strikeforce Lightweight Clay Guida no UFC 94: St. Pierre vs. Penn 2, perdendo por decisão dividida. Guida usou a sua luta livre para derrubar Diaz várias vezes. Guida venceu por decisão dividida, marcando a primeira derrota de Diaz no UFC, no que também foi o seu pagamento por vista de estreia.
Diaz conheceu o vencedor do Ultimate Fighter e ex-Campeão do Cage Welterweight Joe Stevenson no The Ultimate Fighter 9 Finale. Stevenson derrubou Diaz à vontade durante os 3 rounds e Diaz perdeu por decisão unânime.
Após duas derrotas consecutivas por decisão, Diaz foi faturado para a manchete UFC Fight Night 19 em frente a Melvin Guillard. Diaz venceu por submissão a um estrangulamento de guilhotina às 2h30 da rodada 2.
2010
Diaz enfrentou Gray Maynard no dia 11 de janeiro de 2010, no evento principal do UFC Fight Night 20, uma desforra de quando os dois se enfrentaram nas semifinais do torneio de pesos leves TUF 5, que Diaz venceu. Diaz perdeu uma polêmica decisão dividida para Maynard, pois o ex-vencedor do TUF recebeu o aceno nos relatórios do FightMetric, ganhando as rodadas dois e três.
Após três derrotas em quatro lutas, Nate considerou fazer uma mudança permanente de peso para os 170 lb. classe de peso, afirmando “Eu não ganho dinheiro suficiente para ter que largar tanto peso, então eu gostaria de lutar aos 170 e só ir a 155 de vez em quando”,
Diaz fez sua estréia Welterweight em 27 de março de 2010, no UFC 111 contra o produto Miletich Fighting Systems e o especialista marcante Rory Markham. No peso-peso, Markham pesou em 177, enquanto Diaz pesou no limite de peso Welterweight de 171; a luta foi mudada para uma luta de pesos. Diaz passou a ganhar a luta por TKO no primeiro round.
Após a vitória sobre Markham, Diaz declarou que iria competir em ambas as classes de peso. Seu próximo combate foi novamente no Welterweight contra o ex boxeador profissional Marcus Davis, em 28 de agosto de 2010, no UFC 118. Diaz terminou Davis depois de sufocá-lo inconsciente com uma submissão de guilhotina no round final; o combate ganhou as honras do Fight of the Night.
2011
Diaz próximo enfrentou o lutador sul-coreano Dong Hyun Kim, a 1 de Janeiro de 2011, no UFC 125. Diaz perdeu a luta por decisão unânime.
Diaz lutou com Rory MacDonald em 30 de abril de 2011, no UFC 129. Diaz não conseguiu montar muita ofensiva significativa e perdeu por decisão unânime. Após a derrota, Diaz declarou que voltaria para a divisão de pesos leves.
Diaz derrotou o ex-campeão de pesos leves PRIDE Takanori Gomi em 24 de setembro de 2011, no UFC 135 via submissão de armbar na primeira rodada. Ele ganhou a Submissão da Noite por sua performance.
Diaz derrotou Donald Cerrone no UFC 141 via decisão unânime (30-27, 30-27, e 29-28) em uma performance que rendeu a ambos os participantes as honras do Fight of the Night. Apesar de ter sido arrancado de seus pés várias vezes por chutes de perna de Cerrone, Diaz teve uma das melhores performances de sua carreira. Diaz bateu o recorde da CompuStrike, chegando a 82% das batidas que lançou no caminho da vitória sobre Cerrone.
2012
Diaz, após vários anos de treinamento, finalmente recebeu seu faixa preta de jiu-jitsu brasileiro de Cesar Gracie. Ele recebeu seu faixa preta um mês antes de sua luta com seu colega brasileiro de jiu-jitsu Jim Miller.
Diaz enfrentou em seguida Jim Miller no dia 5 de maio de 2012, no UFC na Fox 3. Diaz eliminou Miller na maioria dos dois primeiros rounds, até mesmo deixando Miller cair com uma esquerda direita no final do primeiro round. Perto do final do segundo round, Miller atirou para um takedown, para o qual Diaz empanturrou e contra-atacou com uma guilhotina rolante, forçando a torneira às 4:09 do segundo round. A submissão ganhou ao Diaz o seu quinto prémio de bónus da Noite de Submissão. Foi também a primeira vez que Miller foi parado em sua carreira de MMA.
Diaz enfrentou Benson Henderson em 8 de dezembro de 2012, no UFC na Fox 5, no evento principal do Campeonato de Pesos Leves do UFC. Diaz perdeu a disputa unilateral por decisão unânime. Três semanas antes do campeonato, Diaz assinou um contrato de oito lutas com o UFC.
2013
Diaz enfrentou o ex-campeão de pesos leves Strikeforce Josh Thomson em 20 de abril de 2013, no UFC na Fox 7. Ele perdeu a luta via TKO devido a um chute de cabeça e socos, durante os quais o irmão de Nate, Nick Diaz atirou fisicamente uma toalha no octógono, numa tentativa de sinalizar ao árbitro para terminar a luta. Em 16 de maio de 2013, Diaz foi suspenso pelo UFC por violar o código de conduta do UFC, usando um slur homofóbico em sua página no Twitter. O UFC expressou sua decepção e o suspendeu; ele acabou sendo suspenso por 90 dias e multado em $20.000.
Um jogo de borracha com Gray Maynard aconteceu em 30 de novembro de 2013 no evento principal no The Ultimate Fighter 18 Finale. Diaz venceu via TKO na primeira rodada. A paralisação lhe rendeu o seu primeiro KOO da noite.
2014
Em 5 de maio de 2014, tanto Nate Diaz quanto o companheiro de luta do UFC TJ Grant foram removidos do ranking de pesos leves do UFC após serem considerados inativos pelo UFC.
Após mais de um ano longe do esporte, Diaz voltou do seu hiato auto-imposto e enfrentou Rafael Dos Anjos em 13 de dezembro de 2014 no UFC na Fox 13. Diaz falhou o peso, chegando a 160,6 libras. Ele teve tempo adicional para fazer o limite de peso leve, e reduziu para 155,2 quilos. No entanto, ele ainda foi multado em 20% de sua bolsa, que foi para Rafael dos Anjos. Diaz, que parecia desmotivado e irritado pela maior parte da luta, perdeu a luta unilateral por decisão unânime (30-26, 30-26, e 30-27).
2015
Diaz foi brevemente ligado a uma briga de peso de solda com Matt Brown em 11 de julho de 2015 no UFC 189. Entretanto, em meados de abril, Brown anunciou que o par tinha sido eliminado.
Após ficar sentado novamente por mais de um ano, Diaz voltou para enfrentar Michael Johnson em 19 de dezembro de 2015 no UFC na Fox 17. Ele venceu a luta por decisão unânime, depois de ter colocado uma clínica de boxe absoluta sobre Johnson e continuou dando uma das mais infames entrevistas pós-guerra na história do UFC, onde ele chamou Conor McGregor dizendo “você está pegando tudo pelo que eu trabalho, filho da puta, e eu vou lutar com sua bunda” na televisão ao vivo. Ambos os participantes receberam as honras de Fight of the Night.
2016
Diaz foi definido como um substituto para enfrentar Conor McGregor em 5 de março de 2016 no UFC 196, substituindo um ferido Rafael dos Anjos. Com Diaz tendo apenas onze dias de aviso prévio, a luta ocorreu com peso de welter (170 lbs) devido à falta de tempo para cortar peso. Diaz venceu a luta por submissão no segundo round. Isso deu a Diaz a sua nona vitória por submissão no UFC, empatado para a segunda posição – a mais longa de todos os tempos atrás apenas de Royce Gracie. Ambos os lutadores foram premiados com o Fight of the Night e Diaz também recebeu o bônus Performance of the Night.
Uma revanche com McGregor foi agendada para 9 de julho de 2016 no UFC 200. No entanto, em 19 de abril, o UFC anunciou que McGregor havia sido retirado do evento após não cumprir com as obrigações de mídia em Las Vegas relacionadas à luta. Por sua vez, a luta com McGregor foi remarcada e aconteceu no mês seguinte, disputada novamente no peso welterweight, no UFC 202. Diaz perdeu a desforra por decisão majoritária. O concurso foi mais uma vez premiado com as honras do Fight of the Night.
Na coletiva de imprensa pós-luta do UFC 202, Diaz violou a regra da USADA ao fumar CBD, Cannabidiol, caneta vape dentro de quatro horas após uma briga. Ele não foi sancionado, pois a CBD não é considerada uma PED. A USADA mudou suas regras e retirou a CBD da lista de proibidos não muito tempo depois.
2018
Após um longo período de dois anos de demissão, foi anunciado em 3 de agosto de 2018, que Diaz deveria retornar em 3 de novembro contra Dustin Poirier em um combate leve. Espera-se que este combate sirva como co-cabeçalho do UFC 230. No entanto, em 9 de outubro de 2018, foi anunciado que Poirier se retirou devido a lesões e como resultado o combate foi cancelado.
2019
Nate Diaz retornou à competição em 17 de agosto no UFC 241. Ele enfrentou Anthony Pettis em um combate de peso de solda que serviu como co-principal do evento. Com uma atuação dominante, ele venceu a luta por decisão unânime.
Diaz enfrentou Jorge Masvidal em 2 de novembro de 2019 no principal evento do UFC 244. Em uma situação única, o presidente do UFC, Dana White, confirmou que a manchete foi para um cinturão comemorativo “baddest motherfucker” (‘BMF’). Masvidal venceu a luta através de um nocaute técnico por meio de uma parada médica entre os rounds três e quatro, quando o médico da gaiola determinou um corte sobre o olho direito de Diaz, tornando-o incapaz de continuar.